Heterometal–Heterocoordination Synergy in Dual-Site Single-Atom Catalysts for Selective Nonradical Persulfate Activation

催化作用 过硫酸盐 化学 降级(电信) 密度泛函理论 吸附 合理设计 苯酚 碳纤维 多相催化 反应性(心理学) 组合化学 废水 硫酸盐 无机化学 反应机理 纳米颗粒
作者
Yan Zhao,Yaqin Shi,Lekang Cui,Yukun Pan,Rongxin Wang,Yayun Zhang
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
卷期号:6 (1): 395-407
标识
DOI:10.1021/acsestwater.5c01097
摘要

The rational design of catalysts that enable efficient and selective persulfate activation under practical conditions remains a major challenge in wastewater treatment. Herein, we report a dual-site single-atom catalyst (CoZn-SNC) featuring atomically dispersed Co and Zn stabilized within N, S-coordinated carbon frameworks. Structural analyses confirmed the isolated nature of both Co and Zn sites, while catalytic evaluations demonstrated superior performance for a wide range of organic pollutants. Remarkably, CoZn-SNC achieved complete phenol degradation within 3 min at pH 11 with a total organic carbon removal efficiency of 80.34%, outperforming monometallic counterparts. The catalyst maintained excellent activity in diverse real-water matrices and continuous-flow systems, underscoring its practical robustness. Mechanistic investigations revealed that 1O2 and O2•– dominate the degradation pathway, rather than hydroxyl or sulfate radicals. Density functional theory calculations showed that Zn coordination modulates the electronic structure of Co sites, facilitating cooperative adsorption of O2 and PMS and lowering the barrier for OOH formation, thereby promoting 1O2 generation. This work establishes a “heterometal–heterocoordination–dual-substrate synergy” strategy, providing new design principles for nonradical AOPs and advancing scalable solutions for selective and resilient wastewater treatment.
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